JP2971916B2

JP2971916B2 - 樹脂系圧電素子の製造方法

Info

Publication number: JP2971916B2
Application number: JP17504290A
Authority: JP
Inventors: 守人中田
Original assignee: Toyo Kako Co Ltd
Current assignee: Toyo Kako Co Ltd
Priority date: 1990-07-02
Filing date: 1990-07-02
Publication date: 1999-11-08
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: JPH0462984A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、高分子または高分子とセラミックスとの
複合材（以下単に複合材と称する）を使用した樹脂系圧
電素子の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

ある物質に圧力を加えると、一定の方向に誘電分極、
つまり一方の端に正の電荷が、他方の端に負の電荷が現
われる圧電効果を利用して、圧力によって表わされる機
械的信号を電気的信号に変換する圧電型感電素子は、例
えば、ロボットのマニピュレータ部の把持力検出、ある
いは高音用スピーカ、さらには医用超音波探触子等、近
年に至って種々の用途に用いられるようになってきた。

圧電材料としては、セラミックスや高分子、あるいは
その複合材が使用され、セラミックスとしては、PZT、Z
nO、水晶、BaTiO₃、LiNbO₃等が挙げられる。

また、高分子圧電材としては、ポリフッ化ビニリデン
（PVDF）、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンの共重
合体（VDF/TrFE）、フッ化ビニリデンと四フッ化エチレ
ンの共重合体（VDF/TeFE）、ならびにシアン化ビニリデ
ンと酢酸ビニルの共重合体（VDCN/VA）等が知られてい
る。

ところで、これらPVDF等の高分子圧電材はその耐熱性
が110℃前後と低く、熱可塑性樹脂であり、分子配列が
直鎖状であるため、他の物質との接着性が極めて悪く、
このことが圧力を電気信号として検出する時の電極形式
の上で大きな障害となっていたが、本出願人らにおいて
この問題は解決した（特願昭62−223722号）。

一方、他の物質との接着性が良く、電極の形式などが
比較的容易な高分子としては、エポキシ樹脂やフェノー
ル樹脂などの熱硬化性樹脂があるが、これらの樹脂のほ
とんどは非晶性であるため、高電界を印加して双極子の
分極配向操作を行なっても圧電性を示さない。従って、
これら熱硬化性高分子を出発原料とした高分子圧電材の
開発は、現在の所、皆無である。

しかし、この点についても、本出願人らにおいて解決
したので（同じく特願昭62−223722号）、高分子を圧電
材に有効に利用することができる。

なお、本出願人らが開発した上記特願昭62−223722号
発明に係る『高分子圧電材及びその製造方法』は以下の
如くである。

上記発明に係る高分子圧電材は、分子内に少なくとも
２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂と、分子内
に少なくとも２個以上のアミノ基、２個以上のベンゼン
環２個以上のカルボニル基及び52個以上のメチレン基を
有する分子量が1200以上の化合物と、イミダゾール誘導
体及びピリジン誘導体とを混合した架橋剤とを適量混合
し、架橋硬化させた組成物中に配向双極子が存在するこ
とを特徴としている。

また、その高分子圧電材の製造方法は、分子内に少な
くとも２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂と、
分子内に少なくとも２個以上のアミノ基、２個以上のベ
ンゼン環、２個以上のカルボニル基及び52個以上のメチ
レン基を有する分子量が1200以上の化合物と、イミダゾ
ール誘導体及びピリジン誘導体とを混合した架橋剤とを
適量混合し、架橋硬化させたものに電場を印加して双極
子配向させ、配向双極子を凍結させることを特徴として
いる。

上記の高分子圧電材は、元来非晶性のエポキシ樹脂に
前記分子量が1200以上の化合物及び前記架橋剤を配向し
て架橋硬化させることによって、硬化組成物中に分子鎖
の長い微結晶が形成され、さらに電場を印加して双極子
配向して配向双極子を凍結させるので、高感度に圧力を
検知でき、従ってロボットのマニピュレータ部の把持力
検出あるいは医用超音波深触子などに用いることができ
る。

一般的に、圧電素子は、圧電体の上面に上部電極を、
下面に下部電極をそれぞれ形成し、両電極をそれぞれリ
ード電極で被覆したサンドイッチ構造となっている。

従来、製造方法については、圧電体に高分子や複合材
を材料として使用する場合、その材料をテフロン板上等
で硬化させてから、両面に導電塗料で電極を付け、その
圧電素子を対象物としての基板に接着している。

〔発明が解決しようとする課題〕

圧電素子の感度特性を高めるためには、素子の接着面
を凹凸のない均一な面にする必要があるので、セラミッ
クスの場合であると、焼き上がったセラミックス素材
は、種々の方法によって研磨される。例えば、ラップ盤
と呼ばれる方法においては、試料に荷重を与えて回転し
ながら砥粒で研磨を行う。砥粒としてはカーボランダム
を水または水溶性の油、あるいは普通の油等に浸して用
いる。

高分子素子の場合であると、フレキシブルであるこ
と、大面積化や薄膜化が可能である等の利点を有する
が、その利点を出すためには研磨に適しないことになる
ため、所望の感度特性が得られないことになる。

複合材の場合においても、同じようにフレキシブル
で、大面積、薄膜のものを製造することは可能である
が、そうすると研磨に適しないことになり、微小ではあ
るが不均一な面になることは避けられず、基板に対する
接着面の不均一なことが製品の感度特性に影響を及ぼし
ていた。

また、面積の大きい薄膜状（0.5mm程度）のものを製
造することは可能であるが、面積を大きくすれば、それ
だけ破れやすいため、素子を基板に接着する等の作業工
程に当たっては極めて取り扱いにくく、これが量産の障
害となっていた。

この発明は、上記のような実情に鑑みて、圧電素子を
大面積の薄膜に形成しても、基板に対する接着面を密着
性が良好で均一になし得るばかりでなく、作業工程にお
いて破れるおそれのない樹脂系圧電素子の製造方法を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、この発明は、基板の大
部分を主部として、一端部を付属部として仮想的に区分
けし、主部の上面に下部電極、高分子または高分子とセ
ラミックスとの複合材より成る圧電体、上部電極をそれ
ぞれの材料を順次塗布して形成するとともに、付属部上
面に下部電極のリード電極と上部電極のリード電極と
を、それぞれ下部電極と上部電極との同一材料塗布作業
により形成し、更に順次、上部電極保護のための熱硬化
型エポキシ樹脂の絶縁層を形成する工程と、電磁波対策
としてのシールド層を形成する工程と、次いで、全体に
熱硬化型エポキシ樹脂を塗布することによりコーティン
グ層を形成する工程とを含むものである。

〔作用〕

樹脂系圧電素子の製造方法を上記のように構成したか
ら、基板の上に下部電極、圧電体、上部電極、絶縁層、
シールド層、コーティング層の材料を順次塗布するだけ
で圧電素子が形成される。また、焼成工程を必要として
いない。

基板はある程度の厚みを有しているので、研摩等の手
段によってその表面を均一にすることは可能である。こ
の基板の上面に材料の塗布によって圧電素子を形成する
のであるが、塗布材料に熱硬化型エポキシ樹脂を使用し
たので、圧電素子と基板との接着は密であることは勿
論、接着面は均一となる。また、焼成工程も不要であ
る。

更に、圧電素子を形成したものを基板に接着するので
はないので、製造工程において圧電素子が破れるという
ような不都合は全くない。

材料の塗布手段は、密着性および均一性が得られるな
らばその手段を特に問うものではなく、単なる塗布手段
に限られなく、例えば、蒸着手段、静電塗装、スクリー
ン印刷等の手段を採ることができる。

〔実施例〕

次に、この発明を実施例の図面に基づいて説明する。

第１図は作業工程を矢印および〜の符号で表示し
て順次説明したもので、その順に説明する。

基板１にはガラスエポキシ樹脂を使用し、その表裏両
面を研摩する。

この基板１を二点鎖線で示すように、仮想的に主部２
と付属部３に区分けし、大部分を主部２として、一端部
に付属部３を設ける。

主部２には下部電極として巾広く陽電極４を、付属部
３の一則端部には陽電極４のリード電極５を連続して形
成し、その形成については、銀導電材料をスクリーン印
刷で塗布する。

陽電極４の上面に圧電体６をスクリーン印刷により形
成する。

その圧電材料には、樹脂とセラミックスとの複合材料
を使用し、樹脂にはエポキシ樹脂を使用し、これに硬化
剤と促進剤とを混入する。また、セラミックスにはチタ
ン酸鉛48mol％、ジルコン酸鉛52mol％のものを使用す
る。

この圧電材料の塗布が終ってから、その硬化前に真空
脱泡することにより表面の均一化を図る。

圧電体６より食み出ている陽電極４を次の陰電極８か
ら絶縁するために、熱硬化型エポキシ樹脂を塗布する。
この絶縁層７は、主部２の表裏両面にわたって被覆状に
形成するとともに、上面において圧電体６の窓口7aを形
成する。なお、この絶縁層７は省くことが可能である。

主部２に上部電極としての陰電極８を、付属部３には
陰電極８のリード電極９を導電材料の塗布により一体に
形成する。窓口7aがあるので、この場合はスクリーン印
刷には適しない。

付属部３において上記の如く形成した陽電極４のリー
ド電極５と陰電極８のリード電極９とにシールド線5a、
9aを接続する。この接続には銀ペーストの導電接着剤を
使用する。

陰電極８の保護のために、主部２の表裏両面にわたっ
て絶縁層10を形成する。これは熱硬化型エポキシ樹脂の
塗布により行う。

電磁波対策として主部２と付属部３に銀導電塗料を表
裏にわたって塗布することによりシールド層12を形成す
る。しかし、両リード電極５、９間の絶縁のために、一
方のリード電極５の箇所を欠除しておく。

全体に熱硬化型エポキシ樹脂を塗布することによりコ
ーティング層13を形成する。

シールド線5a、9aを介して分極処理を行う。

第２図は、上記の工程で製造した圧電素子製品の断面
構造を示したもので、基板１の上に下部電極４と圧電体
６と上部陰電極８とからなる圧電素子が形成される。し
かもリード電極５、９が付属部３に形成されており、前
記のようにシールド線5a、9aの接続が可能である。圧電
体６の厚みについては、0.2mm〜5mm程度とすることが望
ましい。以上は、圧電体６に複合材を使用した場合であ
るが、高分子材料を使用した場合にも同様に実施するこ
とができる。

なお前記したように、一般に、高分子圧電材において
圧電性高分子とするためには、分子内にメチレン基、ア
ミノ基もしくはカルボニル基を有することが望ましく、
かつこれらの基が直鎖状に配列し、さらに結晶性を有す
ることが望ましい。

従って、エポキシ樹脂を出発原料として熱硬化性高分
子圧電材を開発する場合は、エポキシ樹脂と反応させる
物質としてメチレン基、アミノ基及びカルボニル基を有
するものが良く、特にメチレン基を多数持ち、これらの
基が直鎖状に配列している必要がある。また、エポキシ
樹脂との高分子化反応の観点からエポキシ樹脂と反応さ
せる物質の分子内にはベンゼン環を有することが望まし
い。

さて、前記エポキシ樹脂とポリテトラメチレンオキシ
ド−ジ−Ｐ−アミノベンゾエートとを反応させた硬化組
成物はほとんど圧電性を示さない。圧電性を示さない主
たる原因は、非晶性であることによる。従って、これら
の硬化組成物に結晶性を付加するためには、架橋剤を添
加する必要がある。

架橋剤としては、一般にエポキシ樹脂用の硬化剤、硬
化促進剤及びラジカル反応開始剤等を使用することが出
来るが、特に、イミダゾール誘導体（イミダゾール系化
合物）及びピリジン誘導体（ピリジン系化合物）の混合
物を使用することが望ましい。ここで、イミダゾール誘
導体もしくはピリジン誘導体をそれぞれ単独で架橋剤と
して使用した場合は結晶性組成物の形成は困難である。

従って、エポキシ樹脂とポリテトラメチレンオキシド
−ジ−Ｐ−アミノベンゾエートとを反応させた硬化組成
物に結晶性を付加する架橋剤には、イミダゾール誘導体
とピリジン誘導体とを混合したものを用いる必要があ
り、この種の架橋剤を添加することにより、160℃,1時
間程度の硬化条件で硬化組成物が得られる。このように
して得られた組成物は多結晶性（微結晶性）の硬化組成
物であることをＸ線回折により確認している。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、次の様な優
れた効果が認められる。

基板の上に下部電極、圧電体、上部電極、絶縁層、シ
ールド層、コーティング層の材料を順次塗布するだけで
圧電素子が形成される。

また、焼成工程を必要としていない。

また、基板の大部分を主部として、一端部を付属部と
して仮想的に区分けし、付属部上面に陽電極のリード電
極と陰電極のリード電極を形成するので、主部の上面に
陽電極、圧電体、陰電極とを材料の塗布によりリード電
極と同時に形成することが可能となったもので、基板と
の密着性が良好で接着面を均一になし得るため、感度特
性の高い圧電素子製品を製造し、品質の均一化を図り得
る。

また、従来の方法のように、圧電素子が作業工程中に
破れるというような不都合が全くないため、非常に広い
面積の圧電素子製品の製造に適し、面積の広狭に制約が
ないので、樹脂系圧電素子の用途が非常に広くなり、例
えば、広い圧電シートの製造を可能にする等の優れた効
果がある。

また、両方のリード電極が下部電極と上部電極との形
成と同時に形成され、その作業工程が省かれることにな
るから、作業能率の向上を図ることができる効果もあ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は一実施例を示し、第１図は作業手順の説明図、第
２図は圧電素子製品の断面説明図である。１……基板、２……主部、３……付属部４……下部電極としての陽電極、５……リード電極、６
……圧電体８……上部電極としての陰電極９……リード電極

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の大部分を主部として、一端部を付属
部として仮想的に区分けし、主部の上面に下部電極、高
分子または高分子とセラミックスとの複合材より成る圧
電体、上部電極をそれぞれの材料を順次塗布して形成す
るとともに、付属部上面に下部電極のリード電極と上部
電極のリード電極とを、それぞれ下部電極と上部電極と
の同一材料塗布作業により形成し、更に順次、上部電極
保護のための熱硬化型エポキシ樹脂の絶縁層を形成する
工程と、電磁波対策としてのシールド層を形成する工程
と、次いで、全体に熱硬化型エポキシ樹脂を塗布するこ
とによりコーティング層を形成する工程とを含むことを
特徴とする樹脂系圧電素子の製造方法。
【請求項２】圧電体を構成する高分子が、結晶性熱硬化
型エポキシ樹脂より成ることを特徴とする請求項１記載
の樹脂系圧電素子の製造方法。